[发明专利]含非圆曲轴带轮的发动机正时传动系统减振优化设计方法

摘要

本发明公开了一种含非圆曲轴带轮的发动机正时传动系统减振优化设计方法，正时传动系统包括正时皮带、曲轴带轮和若干个附件带轮，曲轴带轮通过正时皮带驱动各附件带轮转动，曲轴带轮为椭圆齿轮，方法包括以下步骤：步骤一、根据正时传动系统的初始结构建立其初始动力学模型；步骤二、定义设计变量和建立优化目标函数；步骤三、采用优化算法对正时传动系统进行优化，得到优化结果；步骤四、对优化结果进行验证。本发明能够减小正时传动系统的扭转振动，提升了正时皮带的使用寿命，并无需增加额外的减震装置，节约了减震装置的安装空间。

主权项

1.一种含非圆曲轴带轮的发动机正时传动系统减振优化设计方法，所述正时传动系统包括正时皮带、曲轴带轮、自动张紧器和若干附件带轮，所述自动张紧器包括张紧轮、内嵌扭簧和张紧器摆臂，所述曲轴带轮通过正时皮带驱动各附件带轮转动，所述自动张紧器通过张紧轮维持正时皮带的张紧力，其特征在于，所述曲轴带轮为椭圆齿轮，所述方法包括以下步骤：步骤一、根据所述正时传动系统的初始结构建立其初始动力学模型；所述正时传动系统包括n个带轮，n个带轮包括1个曲轴带轮、1个张紧轮和n‑2个附件带轮，对所有带轮依次编号，其中所述曲轴带轮编号为1，所述张紧轮为第i个带轮，所述张紧轮位于任意两个带轮之间，因此i为2,3,…,n中的任意值，n个带轮将正时皮带划分为n个带段，通过牛顿第三定律推导所述正时传动系统扭转振动动力学方程：上式中J_j、θ_j、c_j和D_j分别为第j个带轮的转动惯量、转角、轴承粘性阻尼和节圆直径；θ_t是所述张紧器摆臂的转角，其初始值为θ_t0，β₁和β₂是所述张紧器摆臂与其相邻两个正时皮带带段的夹角，m₁是所述张紧轮的质量，J_arm是所述张紧器摆臂的转动惯量，l_t是所述张紧器摆臂的臂长，m_e是所述自动张紧器的质量，c_t是所述自动张紧器等效粘性阻尼系数，l_e是所述自动张紧器质心距离摆臂转动中心的距离，M_j是第j个附件带轮的负载扭矩，k_t和Q_t分别是所述内嵌扭簧的扭转刚度和初始扭矩，ρ和v分别是所述正时皮带的密度和轴向运动速度，T_j为所述正时皮带第j个带段的动张力，通过下式进行计算：T_j＝‑k_j(D_j+1θ_j+1‑D_jθ_j)/2+T_j0,j＝2,3,…,n,j≠i‑1,i  (5)上式中T_j0,j＝1,2,…,n为所述正时皮带第j个带段的初始张力，k_j为第j个带段的拉伸刚度，上述式子始终满足n+1＝1，定义所述曲轴带轮任意t时刻的有效直径D₁(t)为其中心位置O_cs到其与正时皮带带段相切的切点P_cs的距离，所述曲轴带轮的长、短轴长度分别标记为d_a和d_b，定义所述曲轴带轮的椭圆轮廓参数ε＝(d_a‑d_b)/d₁，定义所述曲轴带轮的初始安装角度θ_c0为椭圆长轴和位置向量的夹角，其中为P_cs的初始位置，任意时刻t所述曲轴带轮的直径通过下式计算得到：其中θ_c＝θ₁+θ_c0为所述曲轴带轮在任意时刻t时的位置角度；步骤二、定义设计变量和建立优化目标函数；首先，选取所述曲轴带轮的椭圆轮廓的相关参数ε及其初始安装角度θ_c0为优化设计变量，并定义设计变量允许的设计空间：式中，{θ_c0}_min和{θ_c0}_max分别为变量θ_c0在允许设计空间内可取的最大值和最小值，ε_min和ε_max分别为变量ε在允许设计空间内可取的最大值和最小值；然后，基于建立的所述正时传动系统的动力学模型，通过龙格库塔法计算不同转速工况下各带轮的扭转振动，选取各带轮在扭转振动幅值较大的多个转速工况作为典型工况，以各带轮的扭转振动幅值的加权平均值为优化目标，建立所述正时传动系统优化设计的目标函数：式中A_m为各带轮扭转振动幅值，为对应的权系数，的取值应根据各带轮扭转振动幅值对系统整体振动水平的影响程度来确定，根据动力学计算结果，各带轮的振动幅值基本处在同一数量级，即认为其对系统的扭转振动影响程度相当，因此的取值均为同时以所述正时皮带n个带段的张力波动范围为约束条件:g_j＝|T_j‑T_j0|‑1000≤0,j＝1,2,…,n  (11)由式(10)和式(11)，通过罚系数法得到带约束的目标函数：式(12)中λ为罚系数，λ为正数，且大于任一带轮的扭转振动幅值，ξ_j为对应不等式约束(11)中各项的权系数，如果g_j≤0成立，其值为0，反之，其值为1；步骤三、采用优化算法对所述正时传动系统进行优化，得到优化结果，即曲轴带轮1的最优的椭圆轮廓相关参数ε及其初始安装角度θ_c0，根据所述优化目标和约束条件设置优化的收敛条件，判断优化结果是否满足所述收敛条件，若所述优化结果满足所述收敛条件，则确定该优化结果能够作为所述正时传动系统的最优设计；步骤四、对优化结果进行验证，基于所述正时传动系统的初始动力学模型，采用优化结果给出的曲轴带轮的椭圆轮廓的相关参数ε及其初始安装角度θ_c0作为初始参数，计算优化后所述正时传动系统的扭转振动，进而验证优化结果的合理性。